太阳能聚光器和太阳能系统的制作方法
【专利说明】太阳能聚光器和太阳能系统
[0001]本申请是申请号为201080042186.7、申请日为2010年7月23日、申请人为赛瓦技术股份有限公司、发明名称为“具有改进的可制造性和效率的太阳能聚光器构型”的中国发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2009年7月24日提交的美国临时申请号61/228，440的权益，并通过引用将其结合在此。
技术领域
[0004]本发明涉及特别适合用于低成本应用的太阳能聚光器，该太阳能聚光器容易组装和修理，并且更具体地，本发明涉及一种太阳能聚光器，该太阳能聚光器包括一对同心反射器，该对同心反射器具有轴环状(spindle toroid)几何形状，与现有技术构型的“点”或“线”聚焦相反，该轴环状几何形状用于将所收集的太阳辐射聚焦到环形聚焦区域中。
【背景技术】
[0005]入射在地球表面处的太阳辐射具有较低强度，该强度某种程度上是根据一天中的时间、季节和地球的位置变化的；大致是每平方米区域800-1000瓦热能。与从化石产业生产的能量(如煤炭产生的能量)的成本相比，太阳能产业在多样的全球市场中变得有商业竞争力，太阳能产业的关键挑战是高效并显著低成本地利用太阳辐射，并改进太阳能技术的整体可制造性的简易度以及在多样应用的常规商业领域中组装和实施的简易度。
[0006]主要有四类利用太阳能的技术。称为被动式太阳能装置的第一类技术采用具有简单地由入射太阳辐射加热的、在下面延伸的多条管道的太阳能加热器和屋顶太阳能板的形式；热传递到经过被动式太阳能装置的流体或空气。但是，被动的太阳辐射强度通常太低，不能直接用于在高温和压力下需要热的大多数应用(如，运行HVAC、工业过程热、涡轮机等)。另一类太阳能技术采用包含半导体装置的平板太阳能光伏电池的形式。这些装置将入射太阳辐射直接转换成电；电能输出是PV电池阵列的面积的直接函数。太阳能“聚光器”被视为另一类并且被设计为将入射太阳辐射从大的区域反射到更小的聚焦区域上，以便集中(收集)太阳辐射以产生可以传递给在聚焦区域处循环的流体的大量热(从而达到更高的温度和压力)，适合用于需要所希望的品质的热的不同应用，如工业过程热、HVAC加热和冷却、脱盐、脱水等，或用于生产蒸汽以驱动涡轮机从而产生电。最近，已经探索了一种混合动力技术，其中将太阳能收集器与一种特殊类型的PV电池结合使用；太阳能集中技术将高强度太阳辐射光束引导到在收集器的聚焦区域处的、专用的、小数目的光伏电池(称为聚光器PV电池)上。因此，与PV电池结合的集中式太阳能收集器具有超过平板收集器的优势，即它们利用实际上更小量的半导体材料，同时还在产生电能方面更有效率。
[0007]在任何情况下，太阳能聚光器技术无论是在需要热或电还是这两者的应用中都是最广泛地有用的。与被动式太阳能技术或PV电池技术相比，太阳能聚光器以低成本和高效率提供了热。
[0008]一个具体类型的集中收集器在现有技术中已知为一种抛物线槽形收集器。这种类型的收集器使用一个狭长的反射槽，该狭长的反射槽具有抛物线截面，以沿通过形成该槽的抛物线元件的这些焦点而延伸的一条聚焦线来集中太阳的辐射。导管典型地沿这条聚焦线定位，传递热的液体通过该导管循环。当液体通过导管移动时将被太阳能加热。
[0009]替代性地，太阳能聚光器可以采用抛物线点聚光器的形式，它使用多个弯曲反射镜，这些弯曲反射镜被配置为形成将入射太阳辐射聚焦到单一点上的抛物线形盘。典型地将斯特林发动机或腔式接收器设置在盘式聚光器的焦点处，以捕获太阳能并将其转换成热(或机械)能。
[0010]太阳能聚光器技术的另一变体被称为“发电塔”或“日光反射装置(hel1stat)”，其中数百个单独的抛物线点反射器配置在太阳能场中，并且每个反射器将其光束聚焦到容纳该接收器的大型中央塔的顶部上。这种构型的优点在于，从该场的大的收集区域收集的热被集中，以使热损失和管道的成本最小化。但是，阴影遮挡的影响、大面积土地的需求、以及其他考虑因素是发电塔型聚光器技术的缺点。
[0011]最近，已经开发了一种混合聚光器技术，称为集中线性菲涅耳反射器(Concentrated Linear Fresnel Reflector，CLFR)，其中存在配置在具有中央线性接收器的场中的多个槽形反射器的一种混合。就是说，取代了塔上的小的接收器区域，CLL使用长的接收管道，该接收管道收集抛物线反射器阵列的聚焦光束。
[0012]这些和其他类型的常规集中式太阳能收集器的一个问题在于它们的制造和安装昂贵。另外，构型通常是“针对应用的”，即设计为用于给定地点的特定地理条件(即，为太阳的局部运动的函数)、或需要高度平坦的场地用于精细的反射镜对准、或需要沙漠中的大片土地等。每种实施方式还要求特定的尺寸(就其表面积、长度等而言)，这提供很小的灵活性以便适应针对应用的情况。此外，太阳能收集器光学部件通常由必须费力构造和抛光的玻璃反射器组成、需要昂贵的支撑结构、然后需要大规模和繁琐的安装。
[0013]因此，在现有技术中仍需要一种高效工作的、改进的太阳能聚光器，同时它们的安装和维护相对简单，并且它们的使用方式(以产生热、电、或两者)是普遍可行的，并且其数量多少可以按需调整。
【发明内容】
[0014]本发明着手解决现有技术中仍存在的需要，本发明涉及特别适合用于低成本应用的一种太阳能聚光器，该太阳能聚光器容易组装和修理，并且更具体地，本发明涉及一种太阳能聚光器，该太阳能聚光器包括多个同心反射器，这些同心反射器具有一种轴环状几何形状，与现有技术构型的“点”或“线”聚焦相反，该轴环状几何形状用于将所收集的太阳辐射聚焦到多个环形聚焦区域中。在以下讨论的一个实施例中，示出一对反射器。但是，应理解，本发明的太阳能聚光器可以使用任何数目的具有优选轴环状几何形状的反射器。
[0015]因此，根据本发明，每个反射器被形成为呈现一种轴环状几何形状，从而将入射太阳辐射聚焦到环状聚焦区域中。不像与现有技术的槽形和盘形反射器相关的聚焦线或点聚焦特性，该轴环状反射器产生环状聚焦区域，将大量的入射能量集中到小区域中，同时不需要在与现有技术的盘形(“点”)聚光器相关的接收器和聚光器之间进行精确的对准。
[0016]在本发明的优选实施例中，每个反射器由多个弯曲的翼瓣(petals)形成，这些翼瓣设置在相接的、拱顶石(keystone)配置中，该配置需要极少的固定件(例如，环氧树脂)来将这些翼瓣保持在位。这一配置减少了最终太阳能聚光器结构的重量、复杂度和成本。
[0017]在上述实施例的优选配置中，每个翼瓣都具有硬壳式(monocoque)构型，其中该翼瓣的外部“皮肤”还起到为该翼瓣提供必要的刚性并且承载所施加的所有负荷的作用。每个翼瓣可以具有反射性外表面，或本身可以由横跨其外表面设置的一种反射性材料形成。如铝或弹性地形成的薄玻璃是适合用于这个反射性表面的材料。
[0018]本发明的太阳能聚光器可以构造为与卡塞格伦(Cassegrain)型系统相结合，其中沿光学轴线设置的次级反射器将所集中的太阳辐射重引导到设置在另一位置处的接收器中。替代性地，处于集中式太阳能热(CST)系统或集中式光伏(CPV)电池形式的接收器可以设置在该环状聚焦区域处。
[0019]在本发明的又另一实施例中，介电滤光器可以设置在环状聚焦区域处，并且用来将与热能产生相关的波长引导到基于热的接收器中，同时将与电能产生相关的波长引导到例如PV结构中。
[0020]在以下讨论过程中并通过参考附图，本发明的其他和另外的实施例以及方面将变得清楚。
【附图说明】
[0021]现在参考附图，其中在几个视图中类似的数字代表类似的部件:
[0022]图1是根据本发明形成的一个示例性太阳能聚光器10的等距视图；
[0023]图2是光线轨迹图，展示出用于图1的太阳能聚光器的、反射后的太阳辐射的集中作用；
[0024]图3展示标准的环形构型，用于理解本发明太阳能反射器的轴环状几何形状；
[0025]图4是本发明太阳能聚光器的示例性外反射器的正视图，示出其拱顶石构型；
[0026]图5是本发明太阳能聚光器的示例性内反射器的正视图，示出其拱顶石构型；
[0027]图6是外反射器和内反射器的同心配置的正视图，内反射器设置为覆盖外反射器的中心区域；
[0028]图7展示外反射器的一组三个分离的翼瓣的配置以及它们产生拱顶石构型的摆放方式；
[0029]图8是反射器的单一翼瓣的等距视图，示出其优选的硬壳式构型；
[0030]图9是本发明的太阳能聚光器的支撑结构的后视图；
[0031]图1